磁窑沟矿积水空区下回撤通道围岩控制技术

王永茂

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司生产技术科，山西 河曲 036500）

回撤通道围岩的稳定与否是决定工作面综放设备能否安全快速回撤的关键[1-2]。磁窑沟矿13107工作面回撤通道上覆为原磁窑沟煤矿废弃井筒，距离煤层露头较近，存在一定量的空区积水。在13107 回撤通道掘进期间，顶板出现渗水，顶板潮湿。渗水区域处巷道顶板破碎，围岩变形严重。后期虽采取了相关措施补救，但对巷道的掘进效率和工作面设备的回撤效率影响明显。13108 回撤通道与13107 回撤通道工况条件相似，为了保证巷道围岩稳定，实现安全高效生产，避免出现类似安全问题，对积水空区下回撤通道的围岩控制技术展开研究。

1 工程背景

1.1 工程概况

磁窑沟矿13108 回撤通道位于13108 工作面。该工作面开采13#煤层，煤层倾角3.4°，平均厚度为10.40 m，平均埋深143.5 m。煤层上覆松散层平均厚度35.25 m，基岩平均厚度82.1 m。13108 主回撤通道设计宽5.8 m，高4.2 m。辅回撤通道设计宽度5.2 m，高4.0 m。主副回撤通道长度均为240 m，按煤层腰线掘进，方位角270°。在77 m 和158 m 设长20 m，宽5 m，高4 m 的联巷。主回撤通道东部为13108 回风顺槽，西部为13108 运输顺槽，北部为13108 综放工作面，工作面南部为设计的13108 辅回撤通道 （未掘进），回撤通道位置关系如图1 所示。巷道钻孔测试结果显示，煤层直接顶为厚0.80～1.50 m 的泥岩和砂质泥岩，老顶为厚11.00～14.70 m 的粗粒砂岩和中粒砂岩。煤层直接底为厚1.20～2.81 m 的泥岩，老底为6.90～7.71 m 的粗粒砂岩和泥灰岩。13108 主回撤通道顶底板岩性如表1 所示。13108回撤通道上方均为原磁窑沟煤矿废弃井筒，距离煤层露头较近，存在一定量的空区积水。

表1 13108 回撤通道顶底板岩性

图1 13108 回撤通道位置

1.2 工程问题

由上述工程概况可知，13108 主副回撤通道沿煤层跟腰线掘进，巷道顶板为3.1 m 的余煤和1.15 m 松软的泥岩直接顶组成，两帮均为软弱的煤帮。同时，上方均为原磁窑沟煤矿废弃井筒，距离煤层露头较近，存在一定量的空区积水。相邻13107 回撤通道在掘进期间，出现了巷道片帮、顶板破碎和顶板下沉严重等失稳问题。矿方采取了紧急补强措施，虽增加了巷道的安全性，但延误了巷道掘进和工作面回撤工期，造成了一定的经济损失。因此，为了避免13108 回撤通道出现类似安全隐患，急需探寻积水空区下回撤通道围岩稳定性控制技术。

2 巷道失稳原因分析

为了确定积水空区下回撤通道失稳的原因，分别对13107 回撤通道渗水区域和非渗水区域的煤层顶板矿物成分和水样进行测试，并借助FLAC3D模拟巷道失稳过程。

2.1 煤层顶板矿物成分分析

分别在13107 回撤通道渗水区域和非渗水区域采集煤层样品，由太原理工大学对矿物成分进行了分析，13107 回撤通道煤层顶板矿物分析结果如表2 所示。

表2 13107 回撤通道煤层顶板矿物分析结果（%）

表2 显示，13107 回撤通道煤层顶板矿物成分中约60%为软岩矿物：斜长石、白云母、高岭石和方解石等。非渗水区域样品中的矿物成分较渗水区域，斜长石和方解石含量分别下降了8.8%和7.1%。而高岭石和高岭土含量分别增加了10.4%和4.4%。文献[3]显示，方解石与水相互作用下会腐蚀溶解，斜长石与水相互作用则可以生产高岭石矿物。此外，高岭石类矿物为膨胀性软岩，遇水膨胀崩解。因此，根据煤层顶板矿物成分分析结果，推测空区积水下渗与煤层顶板内软岩矿物相互作用，使强度较低空隙裂隙发育的煤层进一步膨胀崩解，裂隙和空隙进一步发育，导致煤层顶板强度下降[4]。

2.2 水质分析

为了进一步验证上述猜想，分别在13107 回撤通道渗水区域和废弃井筒采空区区域，取水样进行化验。山西省忻州市水质检测中心化验报告显示，废弃井筒采空区的水样pH 为6.18，酸性。但13107 回撤通道水样pH 测试为7.82，弱碱性。说明空区积水与煤层顶板中的矿物成分相互作用后，渗水区域水样呈现弱碱性。

2.3 回撤通道数值分析

查阅相关文献[4]，煤层顶板与水相互作用后，改变煤岩本身的结构，导致强度下降。借助前人研究结果，采用FLAC3D分别模拟水岩相互作用前和作用后回撤通道的稳定性。

（1）模型建立及网络划分

由于主副回撤通道工况基本相似，以主回撤通道条件进行模拟分析。巷道模型为5.8 m×4.2 m，研究区域网络加密，以巷道轴线为中心向四周放射状布置网络。以5 倍作为巷道应力影响范围，模型整体尺寸为63.8 m×63.8 m×10 m。

（2）模型赋参及边界条件

根据文献研究结果，对巷道上方的煤层和泥岩顶板区域分别采用不同的物理力学参数，模拟渗水区域和非渗水区域巷道顶板强度的变化。此外，通过Elastic 模型模拟模型的初始地应力，模型开采时采用Mohr 破坏模型。对模型z 方向施加重力加速度-10 m/s2，模型上表面距地表约100 m，对模型上表面z 方向施加-2.3 MPa 模拟模型上覆应力，侧压力系数设置为1.3。限制模型四周方向的位移，模型底部固支。

（3）模拟结果分析

根据模型的塑性区和应力数值模拟结果，沿13108 巷道断面对模型进行切片，13108 回撤通道塑性区和位移云图如图2 所示。

图2 回撤通道掘进数值模拟结果

图2 中非渗水区域巷道塑性区破坏形式以剪切破坏为主，拉伸破坏为辅。渗水区域巷道塑性区顶板和两帮破坏形式以剪切为主，底板主要为拉伸破坏。从破坏范围来看，非渗水区域的破坏范围是渗水区域的破坏范围的52.6%～82.4%。从位移云图来看，非渗水区域的顶底板位移量和两帮位移量分别是渗水区域的76.3%～85.1%。因此，说明回撤通道顶板强度的下降，将导致围岩变形量增加，进而导致巷道失稳[6]。

综上可知，由于断层或天然裂隙的存在，在回撤通道掘进过程中积水空区与巷道顶板有接触的可能性。由于磁窑沟矿回撤通道顶板中含有软岩矿物，在残留的空区积水与煤层顶板相互作用后，顶板强度下降，进而引发巷道失稳。

3 积水空区下回撤通道围岩控制方案

针对空区积水弱化巷道顶板，导致回撤通道失稳的问题，应从两方面提高回撤通道的稳定性。一方面减少空区积水与顶板接触，避免空区积水弱化顶板。另一方面增加巷道的支护强度，防止顶板强度下降，进而导致的支护强度不足。

3.1 回撤通道掘进期间防治水

为了减少空区积水与顶板的接触，可采用以下防治水措施针对性解决空区积水对顶板的威胁。

（1）回撤通道掘进期间实行有掘必探，先探后掘的基本原则。采用瞬变电磁法和电探法相结合，提高积水空区的探测准确率和探测效率，准确判断空区积水的位置。对于达到威胁程度的空区积水进行提前探放。

（2）在断层和裂隙发育的构造区域注入马丽散，减少围岩的空隙和裂隙，增强围岩强度。同时，减少空区积水与围岩的接触。

3.2 回撤通道支护方案

为了防止水岩相互作用导致顶板强度下降，应适当提高巷道支护强度。回撤通道支护方案如表3 所示。

表3 13108 回撤通道支护方案

由于13108 回撤通道断面参数基本一致，辅回撤通道和联巷在主回撤通道的支护方案基础上对锚杆（锚索）间排距适当进行了调整[5-6]。

3.3 控制方案应用效果

在主副回撤通道分别布置5 个测站，每个测站两个测点，利用十字测点法监测回撤通道的围岩移近量[7]。以主回撤通道平均移近量数据（如图3所示），分析13108 回撤通道围岩控制效果。

图3 13108 主回撤通道围岩表面平均位移

由图3 可知，13108 主回撤通道在掘进初期（0～5 d）的平均移近量快速增大，随后随着掘进距离的增加，均移近量逐渐下降。25 d 后围岩区域趋于稳定，移近量以0.1～0.2 mm/d 的速度缓慢增加。在主回撤通道服务期内，顶底板和两帮的最大移近量分别为33.5 mm 和34.8 mm，远小于回撤通道断面尺寸。回撤通道在服务期间，顶板未发现渗水现象，提高了巷道的掘进效率和工作面设备的回撤效率。

4 结语

磁窑沟矿13108 回撤通上覆空区积水与煤层顶板接触后，顶板强度下降，巷道支护强度不足，是导致积水空区下回撤通道失稳的主要原因。针对性采用回撤通道防治水措施和加强巷道支护强度，能有效控制回撤通道的围岩变形。服务期间13108 回撤通道围岩表面移近量为33.5～34.8 mm，围岩稳定。